Wie Kupferfolie die PCB-Leistung und Fertigungsqualität prägt

Die wichtigsten Erkenntnisse

• Gewicht: 1 oz Kupfer ≈ 35 µm Dicke; höheres Gewicht erhöht die Stromtragfähigkeit.
• Typen: ED für Standard-Steifplatinen, RA für dynamische Flexschaltungen.
• DFM & Verluste: Glattere Folie senkt den HF-Verlust; dickere Folie erfordert größere Leiterbahnabstände.

Der Teil einer Leiterplatte, der tatsächlich das elektrische Signal führt, ist die Kupferfolie. Die Festigkeit kommt vom Glasgewebe, das Harz hält die Schichten zusammen, und der Lötstopplack dient dem Schutz und der Trennung von freiliegendem Kupfer. Bei vielen Designs beginnt (und endet) Kupfer jedoch mit einer einfachen Auswahl im Stack-up: 1 oz.

Abbildung 1: Rolle elektrolytisch abgeschiedener Kupferfolie, die in eine kupferkaschierte Laminatpresse einläufts

Der Großteil des Kupfers auf Leiterplatten entsteht durch einen subtraktiven Prozess. Der Hersteller beginnt mit einem durchgehenden Kupferband, das auf das Laminat aufgebracht ist, und entfernt all das Kupfer, das nicht zum Schaltungsmuster gehört. Das bedeutet, dass bereits bestimmte Schlüsselmerkmale in der Kupferdicke, der Kornstruktur und der Oberflächentextur Ihrer Gerber-Dateien festgelegt sind, bevor sie in die Produktion gehen.

All diese Eigenschaften wirken sich auf das Endprodukt aus. Dieser Leitfaden behandelt die Beschaffenheit von PCB-Kupferfolie, das Verhältnis zwischen Kupfergewicht (in Unzen) und Kupferdicke (in Mikrometern), den Unterschied zwischen elektrolytisch abgeschiedenem und gewalztem Kupfer sowie die Auswahl des geeigneten Kupfergewichts für Ihr Stack-up.

Was ist Kupferfolie und warum ist sie in Leiterplatten wichtig?

Kupferfolie ist das einzige leitfähige Material in einer Standard-Leiterplatte, daher lässt sich jede elektrische Eigenschaft der fertigen Platine auf sie zurückführen.

Was ist Kupferfolie und welche Rolle spielt sie im PCB-Aufbau?

Kupferfolie ist ein dünnes, durchgehendes Blech aus hochreinem Kupfermaterial, das auf einem Isolierstoff befestigt wird. Die Dicke von PCB-Folien liegt typischerweise zwischen 12 und 140 µm, und die Kupferreinheit liegt im Allgemeinen über 99,8 %. Die Bedeutung hoher Reinheit liegt darin, dass Verunreinigungen zu höheren Widerständen beitragen und das Kupfer beim Ätzen weniger gleichmäßig machen können.

Bei der Herstellung von Laminat wird die Kupferfolie erhitzt und in das glasfaserverstärkte Epoxidharz gepresst. Dieses Produkt wird als kupferkaschiertes Laminat (CCL) bezeichnet. Ein Standard-FR-4-Kern ist eine vollständig ausgehärtete Laminatplatte mit Kupfer auf beiden Seiten. Der primäre Schritt der PCB-Herstellung ist das Entfernen von Kupfer. Der Fotolack bedeckt das Schaltungsmuster, und das Ätzmittel löst das unerwünschte Kupfer darum herum auf. Die resultierenden Leiterbahnen, Pads und Flächen bilden das Endprodukt.

Kupferfoliendicke, Leitfähigkeit und PCB-Leistung

Bei der Bestellung von Kupferfolie ist es wichtig zu beachten, dass die Folie typischerweise nach Gewicht und nicht nach Dicke bestellt wird. Bei der Herstellung von Leiterplatten bezieht sich 1 oz Kupfer auf 1 Unze Kupfer, verteilt auf 1 Quadratfuß. Das entspricht einer Dicke von etwa 34,8 µm (1,37 mil), was üblicherweise auf 35 µm gerundet wird.

Abbildung 2: Maßstabsvergleich der Kupferfoliendicke von 0,5 oz, 1 oz, 2 oz und 3 oz

Der Schichtwiderstand von 1 oz Kupfer beträgt etwa 0,48 mΩ pro Quadrat. Ein „Quadrat" ist eine Kupferlänge, die gleich der Breite ist, und das Zählen der Quadrate ermöglicht eine schnelle Schätzung des Leiterbahnwiderstands, ohne eine Formel verwenden zu müssen.

Kupferfolie in PCB-Anwendungen verstehen

Der Herstellungsprozess verwandelt ein Blech Kupferfolie in eine fertige Kupferschaltungsschicht, und während des Prozesses werden Dicke und Form der Folie mehrmals verändert. Es ist leicht einzusehen, warum eine geätzte Leiterbahn nach diesem Prozess nicht immer genau die Größe hat, die im Layout gezeichnet wurde.

Abbildung 3: Querschnitt mit laminierter, plattierter und geätzter Kupferfolie

Wie Kupferfolie zu einer PCB-Schaltungsschicht wird

Jede der Außenlagen verändert das Kupfer auf eine bedeutende Weise, die Sie kennen sollten, denn es gibt fünf davon:

1. Laminierung: Folie und Prepreg werden bei etwa 180 °C unter mehreren hundert psi gepresst, sodass geschmolzenes Harz in die raue Unterseite der Folie fließt und sie fest verankert.
2. Bohren und Lochaktivierung: Löcher werden durch das Panel gebohrt, dann wird eine dünne stromlose Kupferkeimschicht abgeschieden, damit die blanken Harzwände die Elektroplattierung annehmen.
3. Belichtung: Trockenfilm-Fotolack wird auflaminiert, durch Ihre Vorlage belichtet und entwickelt, sodass nur dort Schutz verbleibt, wo Kupfer erhalten bleiben muss.
4. Plattierung: Elektrolytkupfer baut die Lochbarrels auf und verdickt gleichzeitig das freiliegende Außenkupfer, typischerweise um 20 bis 25 µm (0,8 bis 1 mil).
5. Ätzen und Strippen: Ein Kupferchlorid- oder alkalischer Sprühnebel löst jeden ungeschützten Bereich bis zum Harz auf, und der Lack wird anschließend entfernt.

Wenn das Ätzen Kupfer nach unten auflöst, löst es die Leiterbahn auch seitlich auf. Die Kanten der fertigen Leiterbahn werden leicht trapezförmig mit einer schmaleren Oberseite, da die Chemie die Folie abträgt.

Standard- und Schwermetallkupfer-Anwendungen

Eine Unze Kupfer deckt die überwältigende Mehrheit der Arbeiten ab, daher ist es das Standard-Außengewicht bei fast jeder Schnelldurchlauf-Bestellung. Es lässt sich auf 0,09-mm-Strukturen ätzen, bewältigt Logik und kleine Analogschienen problemlos und kostet nichts extra. Bei der Stromtragfähigkeit stößt es an seine Grenzen. Bei 1 oz Außenkupfer führt eine etwa 0,25 mm (10 mil) breite Leiterbahn etwa 1 A.

Diese Zahl geht von einem Temperaturanstieg von 10 °C und den konservativen IPC-2221-Diagrammen aus. IPC-2152 erlaubt mehr, da es berücksichtigt, wie die Platine selbst Wärme leitet, aber der ältere Wert hält Sie auf der sicheren Seite. Eine Verdopplung auf 2 oz verdoppelt den Querschnitt, sodass dieselbe Leiterbahnbreite bei gleichem Temperaturanstieg fast den doppelten Strom führt. Echtes Schwermetallkupfer beginnt bei 3 oz (105 µm, 4,1 mil), und Schwermetallkupfer-PCB-Design geht für Busbar-Arbeiten weit darüber hinaus.

Haupttypen von Kupferfolie für Leiterplatten

Zwei Herstellungswege erzeugen fast die gesamte PCB-Kupferfolie, aber sie hinterlassen im Metall völlig unterschiedliche Kornstrukturen.

Elektrolytische und gewalzte Kupferfolie

Elektrolytisch abgeschiedene Folie, allgemein ED-Folie genannt, wird aus einem Kupfersulfatbad auf eine langsam rotierende Titanwalze plattiert. Während das elektrolytisch abgeschiedene Kupfer auf der rotierenden Walze wächst, entwickelt sich die Kristallstruktur von der Walzenoberfläche nach außen. Dadurch erhält die fertige Folie zwei unterschiedliche Seiten: eine glatte, glänzende Walzenseite und eine rauere matte Seite, auf der das Kupferwachstum entsteht.

Abbildung 4: Vergleich der Kornstruktur von ED- und RA-Kupfer

Gewalzte und geglühte Folie (RA-Folie) beginnt mit einem gegossenen Kupferbarren. Gewalztes Kupfer wird durch Walzwerke geführt, die es auf die gewünschte Dicke reduzieren, wobei die Körner gestreckt und abgeflacht werden, sodass sie etwa parallel zur Folienoberfläche liegen. Diese Körner dürfen dann durch Glühen der Folie wachsen und rekristallisieren. Das Ergebnis ist eine glatte, doppelseitige gewalzte und geglühte (RA) Kupferfolie, die viel duktiler ist als elektrolytisch abgeschiedene Folie.

Wie man Kupferfolie für verschiedene PCB-Anforderungen auswählt

Die Folienwahl richtet sich nach der Anwendung, und vier Fälle decken fast alles ab, was Sie wahrscheinlich bauen werden:

Abbildung 5: Skin-Tiefe über der Frequenz im Vergleich zur typischen Kupferfolienrauheit

• Steifes Digital und Analog unter etwa 1 GHz: Standard- oder HTE-ED-Folie, da die Oberflächenrauheit bei diesen Frequenzen weit kleiner ist als die Leittiefe.
• Multilayer-Platinen mit drei oder mehr Laminierzyklen: speziell HTE-Folie, da gewöhnliche ED-Folie bei Hitze unter Dehnung reißen kann.
• Flexschaltungen, die im Betrieb gebogen werden: Gewalzte und geglühte Folie, da ihre flache Kornstruktur wiederholtes Falten übersteht, während säulenförmige Körner aufspalten.
• Verbindungen über etwa 5 GHz oder 10 Gbps: Reverse-Treated-, VLP- oder HVLP-Folie, da glatteres Kupfer direkt den Leiterverlust senkt.

Rauheit ist nur dann ein Faktor, wenn das Metall nicht mehr vollständig vom Strom genutzt wird. Hochfrequenzströme neigen zum „Skin"-Effekt, das heißt, sie fließen nahe der Oberfläche, und die Tiefe, in der sie das tun, wird als Skin-Tiefe bezeichnet. Bei Kupfer beträgt sie etwa 2,1 µm bei 1 GHz und nimmt mit der Quadratwurzel der Frequenz ab.

Kupferfolien-Anwendungen und -Eigenschaften, die die PCB-Leistung beeinflussen

Drei Eigenschaften machen Kupfer zu einem Favoriten: es leitet Strom, es leitet Wärme, und es lässt sich sauber genug ätzen, um feine Strukturen zu erzeugen.

Elektrische, thermische und stromtragende Eigenschaften

Die Industrie bezeichnet die Leitfähigkeit von Kupfer als 100 % IACS, was 5,8 × 10⁷ S/m entspricht. Nur Silber übertrifft es, und Silber ist einfach kein kosteneffizientes Material, um es in Quadratmetern auf Panels zu laminieren. Die Leitfähigkeit von Aluminium beträgt etwa 61 % der von Kupfer; daher muss ein Aluminiumleiter deutlich breiter sein, um dieselbe Funktion zu erfüllen. Kupfer hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 385 W/mK, und das darunterliegende FR-4-Material hat etwa 0,3 W/mK.

Der Strom skaliert proportional zum Kupfergewicht; die Wärme ebenso. Die Hotspot-Temperatur sinkt messbar, wenn eine 2-oz-Ground-Fläche unter einem Regler verwendet wird, verglichen mit einer 1-oz-Fläche, da die Wärmeübertragung durch die Masse etwa verdoppelt wird. Thermische Vias leiten diese Wärme dann zum Kupfer auf der anderen Seite. Bei der Dimensionierung einer Leiterbahn für Strom geht es nicht um Schmelzen, sondern um Temperatur. Die Leiterbahn erwärmt sich und ihr Widerstand steigt, wodurch benachbarte Bauteile aus der Toleranz fallen, ohne dass bei irgendeinem sinnvollen Strom Kupfer schmilzt.

Mechanische Eigenschaften, Oberflächenqualität und Haftung

Die Haftung wird als Schälfestigkeit gemessen, also die Kraft, die benötigt wird, um einen Folienstreifen vom Laminat abzuziehen. Kupfer geht keine chemische Bindung mit ausgehärtetem Epoxid ein, daher muss der Halt mechanisch erfolgen. Er kommt von der behandelten matten Seite der Folie, wo feine dendritische Zähne gezogen und dann mit einer Zink- oder Nickelbarriere beschichtet werden.

Das Glätten der Folie für Hochfrequenzarbeiten entfernt genau diese Zähne, sodass die Schälfestigkeit mit der Rauheit sinkt. Folienhersteller reagieren mit Bindungschenikalien, die die Textur ersetzen, was ein Hauptgrund dafür ist, dass VLP-Laminate mehr kosten. Oberflächendefekte in der eingehenden Folie überstehen den gesamten Prozess. Eine Grube, eine Delle oder eine Falte liegt still unter dem Fotolack. Das Ätzmittel findet sie trotzdem, sodass daraus eine Kerbe in einer Leiterbahn oder ein offener Stromkreis wird.

Kupferfolienauswahl und PCB-Herstellungsanforderungen

Das Kupfergewicht ist keine freie Wahl, denn es hängt von der Lagenzahl, der minimalen Strukturgröße und davon ab, wie ein Fertiger Ihr Stack-up presst.

Kupferfolie mit Lagenzahl, Stack-up und DFM-Anforderungen abstimmen

Schwereres Kupfer erfordert breitere Leiterbahnen und größere Abstände, da das Ätzmittel durch mehr Metall schneiden muss. Während es nach unten ätzt, greift es auch weiter die Leiterbahnkanten an, wodurch der Unterätzungseffekt zunimmt. JLCPCB veröffentlicht die minimale Leiterbahnbreite und den Abstand für jedes Kupfergewicht, sodass der Routing-Kompromiss vor Beginn des Layouts geprüft werden kann.

Außenkupfer auf 4-Lagen- und höheren Platinen wird nur in 1 oz oder 2 oz angeboten. Eine 2-Lagen-Platine kann dagegen bis zu 4,5 oz (157 µm, 6,2 mil) gehen. Innenlagen laufen mit 0,5 oz, 1 oz oder 2 oz, und 0,5 oz ist der Standard, sofern Sie nicht mehr anfordern.

Kupferdicke und Fertigungskonsistenz aufrechterhalten

Das bestellte Kupfergewicht und das fertige Kupfergewicht sind auf den Außenlagen unterschiedliche Zahlen. Fertiger beginnen üblicherweise mit 0,5-oz-Folie und plattieren sie hoch, da dasselbe Plattierbad ohnehin die Durchkontaktierungen füllen muss. Eine als 1 oz außen verkaufte Platine kommt daher als Folie plus Plattierung an, die zusammen die fertige Spezifikation erfüllen. Das Außenkupfer variiert folglich stärker als das Innenkupfer.

Die Plattierstromdichte ist nie gleichmäßig über ein Panel verteilt, sodass Platinen nahe den Rändern etwas mehr Kupfer aufnehmen können als die in der Mitte. Die Leiterbahnbreite hat ihre eigene Toleranz, die JLCPCB mit ±20 % angibt. Eine gezeichnete 0,2-mm-Leiterbahn (8 mil) kann legitim irgendwo zwischen 0,16 mm (6,3 mil) und 0,24 mm (9,4 mil) liegen. Dimensionieren Sie knappe Power-Leiterbahnen nach dem unteren Ende, damit die schlechteste akzeptable Platine noch Ihr Temperaturziel erreicht.

Wie PCB-Hersteller die Kupferfolienqualität kontrollieren

Kupferfolie kommt zertifiziert an, doch ein Fertiger muss trotzdem nachweisen, dass sie Laminierung, Ätzen und Plattieren unverändert überstanden hat. Die Qualitätskontrolle für Kupfer ist eine Kette von Prüfungen vom Wareneingang bis zum polierten Mikroschliff.

Materialprüfung, Ätzen und Plattierungskontrolle

Dicke, Gewicht, Schälfestigkeit und Profilklasse erscheinen alle auf diesem Dokument, und die Folie lagert dann in einem feuchtigkeitskontrollierten Lager. Oxidierte Folie haftet schlecht, daher ist die Lagerung echte Prozesskontrolle und nicht bloß Hauswirtschaft. Die Ätzlinie entscheidet über die fertige Leiterbahnbreite, daher erhält sie die strengste Kontrolle aller Nassprozesse. Kupferchloridbäder werden auf ein spezifisches Gewicht, ein Redoxpotential und ein Temperaturfenster eingestellt. Die Fördergeschwindigkeit wird dann angepasst, um die Ätzrate konstant zu halten.

JLCPCB listet 1 oz bis 4,5 oz Außenkupfer auf 2-Lagen-Platinen und 1 oz oder 2 oz auf Multilayer-Platinen. Es veröffentlicht auch die genaue minimale Leiterbahnbreite und den Abstand für jedes Gewicht. Sie können Ihre Gerber hochladen und ein Angebot einholen mit bereits ausgewähltem Kupfergewicht. Die automatische DFM-Prüfung markiert dann jede Struktur, die das Gewicht nicht halten kann.

AOI, Querschnittsanalyse und Zuverlässigkeitstests

Die automatisierte optische Inspektion fotografiert jede geätzte Lage und vergleicht sie mit den CAM-Daten. Sie erkennt Kerben, Risse, Mausbisse, Kurzschlüsse und Kupfer, das weggeätzt wurde, wo es hätte bleiben sollen. Innenlagen werden vor der Laminierung geprüft, denn einmal laminiert, kann ein Fehler nie mehr behoben werden.

Abbildung 6: Leiterplatte unter einem Metallmikroskop mit gemessener Kupferdicke

Die Dicke kann nur durch Aufschneiden der Platine und physische Prüfung der Dicke kontrolliert werden. Ein Coupon wird in Epoxid eingebettet, zurückgeschliffen und dann unter einem Mikroskop betrachtet. Das liefert eine direkte Messung von Foliendicke, plattiertem Kupfer und Ätzfaktor. Der Thermoschocktest beantwortet die Frage, ob die Folie tatsächlich gebunden ist oder nicht. Eine Probe wird 10 Sekunden lang auf geschmolzenem Lot bei 288 °C schwimmen gelassen und auf abgelöste Folie oder Harztrennung mikrosektioniert. Der Schälfestigkeitstest liefert dieselbe Antwort als Zahl statt als Fotografie.

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FAQ zu Kupferfolie in Leiterplatten

F: Wie dick ist 1 oz Kupferfolie in Mikrometern und mil?

Eine Unze Kupfer, verteilt auf einen Quadratfuß, ergibt eine Nenndicke von 34,8 µm oder 1,37 mil. Die Industrie rundet diesen Wert üblicherweise auf 35 µm. Halbe Unze Kupfer sind 17,4 µm (0,7 mil), und 2 oz Kupfer sind 70 µm (2,8 mil).

F: Erhalten Innenlagen dasselbe Kupfergewicht wie Außenlagen?

Nein, und dies anzunehmen ist eine häufige Ursache für unterdimensionierte Power-Flächen. Multilayer-Platinen haben standardmäßig 0,5 oz Innenkupfer, mit 1 oz und 2 oz auf Anfrage. Innenlagen werden auch nie elektroplattiert, sodass sie genau mit dem bestellten Foliengewicht fertig werden.

F: Was ist der echte Unterschied zwischen ED- und gewalzter geglühter Kupferfolie?

Elektrolytisch abgeschiedene Folie wird auf eine Walze plattiert, was vertikale säulenförmige Körner ergibt, die bei wiederholtem Biegen reißen. Gewalzte geglühte Folie wird kaltgewalzt und geglüht, wodurch flache, überlappende Körner entstehen, die gleiten statt zu reißen.

F: Ab welcher Frequenz beginnt die Kupferfolienrauheit eine Rolle zu spielen?

Die Rauheit wird signifikant, sobald sich die Skin-Tiefe der Höhe der Oberflächenzähne nähert, was bei Standardfolie etwa bei 5 GHz der Fall ist. Die Kupfer-Skin-Tiefe beträgt etwa 2,1 µm bei 1 GHz und etwa 0,65 µm bei 10 GHz.

F: Warum ist mein fertiges Außenkupfer dicker als das bestellte Foliengewicht?

Außenlagen werden während der Durchkontaktierungsplattierung elektroplattiert, was etwa 20 bis 25 µm auf die Ausgangsfolie aufbringt. Fertiger beginnen üblicherweise mit dünnerer Folie und plattieren hoch, um das fertige Gewicht zu erreichen.

Fazit

Kupferfolie ist das eine Material in einer Leiterplatte, das Sie mit einer einzigen Zahl festlegen und dann überall damit leben. Diese Zahl bestimmt Widerstand und Stromtragfähigkeit und legt fest, wie gut eine Fläche Wärme verteilt. Über den Ätzfaktor entscheidet sie auch, wie fein Ihre Leiterbahnen sein dürfen. Der Folientyp fügt eine zweite Achse hinzu und bestimmt, ob sich die Platine biegen kann und wie viel eine schnelle Flanke beim Überqueren verliert. Behandeln Sie die Kupferentscheidung als Teil des Stack-ups und nicht als Kontrollkästchen an der Kasse.

Wählen Sie das Gewicht nach dem Strom, den Ihre Schienen tatsächlich führen, und halten Sie es symmetrisch, damit das Panel flach gepresst wird. Greifen Sie nur dann zu glatterer Folie, wenn Ihre Flankenraten die Schälfestigkeit rechtfertigen, auf die Sie verzichten. Datenraten steigen weiter, sodass die Folienrauheit auf gewöhnlichen Digitalplatinen früher eine Rolle spielen wird, als die meisten Designer erwarten. Veröffentlichte Fähigkeitstabellen und eine automatische DFM-Prüfung machen es günstig, vor der Freigabe eines Panels zu testen.